機械密封覆層密封環端面性能分析

劉富印 唐賀

摘 要：機械密封覆層密封環能夠綜合利用耐磨覆層與韌性基體材料的優良特性，但其應用主要依靠經驗，缺乏針對其性能的研究。覆層厚度、覆層與基體的熱膨脹系數比和彈性模量比的變化主要影響覆層表面最大拉應力。摩擦副要保證緊密貼合、組成密封面以防止介質泄漏。這就要求摩擦副要有良好的耐磨性；動環可以軸向移動，自動補償密封面磨損，使之與靜環良好地貼合；靜環具有浮動性起緩沖作用。本文通過建立機械密封覆層端，研究覆層端面結構和材料對其性能的影響，為覆層端面的設計和應用提供理論基礎。

關鍵詞：機械密封；覆層端面；應力

引言

機械密封覆層密封環的應用正在逐漸推廣，在密封結構無法改變的情況下，對密封環材料提出了更高的要求。密封環材料尤其是硬環材料，要求摩擦系數小，具有一定的耐磨性；熱膨脹系數小；有適當的機械性能和硬度，可加工性能好；致密性好等特點。覆層端面性能的研究從未中斷。密封環材料對密封端面的各項性能有重要影響，有很高的耐磨性，但抗拉強度低；硬質合金的抗拉強度高，但耐腐蝕性較差。有的高脆性特點使其在工程應用中極易磕毀。在金屬表面制備耐磨覆層，可以結合覆層材料的耐磨性和基體材料良好的韌性及可加工性。對于大尺寸密封環或結構復雜的密封環，表面覆層技術不僅節約了硬質材料，而且使得加工工藝可行。

一、機械密封原理概述

機械密封環對材料的苛刻要求，使得單一材料很難滿足要求，然而表面覆層技術的發展為密封環材料提供了新的選擇。機械密封是靠一對或數對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構的彈力（或磁力）作用下保持貼合并配以輔助密封而達到阻漏的軸封裝置。常用機械密封結構由動環、靜環、彈性元件彈簧座、緊定螺釘、動環密封圈和靜環密封圈等元件組成，其中動環和靜環的端面組成一對摩擦副。動環靠密封室中液體的壓力使其端面壓緊在靜環端面上，并在兩環端面上產生適當的比壓和保持一層極薄的液體膜而達到密封的目的。壓緊元件產生壓力，可使泵在不運轉狀態下，也保持端面貼合，保證密封介質不外漏，并防止雜質進入密封端面。機械密封希望發揮理想效果必須在使用時跟泵的其他部件進行配合使用，這就不僅需要機械密封本身性能優異，同時還需要與泵的其它部件彼此相適應。任何一個問題，無論是機械密封本身的問題還是機械密封外部條件的問題，都會對機械密封效果產生重要的影響。

二、覆層端面數值分析模型

建立包括覆層密封環、靜環和動環在內完整的數值分析模型。根據密封介質和阻封液的物性，為保證密封的使用壽命，動環覆層采用具有優異耐磨、耐蝕、耐熱的氧化鉻陶瓷。該密封環結構及其載荷具有中心對稱的特點，為減少計算量，劃分網格，并進行網格無關性驗證，網格無關性驗證結果。

1.力邊界條件

為了更準確的分析覆層端面的性能，將考慮覆層端面變形及其與密封端面的液膜反壓分布和溫度分布之間的相互影響，通過迭代求解方式，逐次修正因密封端面接觸壓力改變引起密封端面熱流密度的變化和因密封環覆層端面變形引起密封端。機械密封動環和覆層、覆層和靜環、靜環和靜環座之間設置為熱傳導，并在材料屬性中定義其熱導率。密封端面的熱流密度受到密封端面接觸壓力和線速度的影響。根據密封的實際接觸表面，對模型不同表面施加壓力邊界條件。接觸式機械密封多半處于混合摩擦狀態下工作，根據成膜理論，密封端面之間的流體流動屬于窄縫粘性流體流動，因此對于平行平面間隙、收斂型間隙和發散型間隙。密封端面內徑側接觸應力大，外徑側接觸應力小，端面接觸應力不均勻，導致摩擦產生的熱量分布不均。數值計算和試驗測試得到摩擦扭矩和靜環溫度。密封端面的摩擦扭矩與接觸壓力直接相關。

2.覆層端面性能

覆層的結構其主要包括四個面，即覆層表面、覆層主界面、內側界面和外側界面表面的應力水平。直接反應覆層端面的磨損狀態。覆層表面開裂的根源是覆層表面的徑向拉應力和環向拉應力的作用。由于主界面的法向拉應力值很小，可以忽略，可能引起主界面損壞的只有最大切應力。覆層側界面的最大切應力和側界面的最大法向拉應力是引起覆層從基體上脫落的重要影響因素。

3.覆層厚度的變化影響

最大的是覆層表面最大拉應力，覆層表面最大拉應力趨于穩定。覆層厚度對覆層端面各薄弱環節受力狀況的影響表現在覆層表面：覆層越厚，覆層表面的受力狀態越好；隨著覆層厚度的持續增大，覆層表面受力狀況改善的幅度會減小。覆層寬度對覆層端面的各項評定指標幾乎沒有影響，覆層寬度對覆層端面性能的影響可以忽略。覆層相對于基體很薄，覆層結構在一定范圍內變動時，對密封環及其覆層端面的傳熱和變形的影響程度相當有限。實際制備覆層端面時，覆層寬度只需滿足與配對密封環接觸端面貼合即可。

三、覆層端面性能的影響因素研究

覆層表面最大拉應力趨于穩定。覆層厚度對覆層端面各薄弱環節受力狀況的影響表現在覆層表面：覆層越厚，覆層表面的受力狀態越好；隨著覆層厚度的持續增大，覆層表面受力狀況改善的幅度會減小。

1.覆層與基體材料物性對覆層端面性能的影響。隨著熱膨脹系數比的增大，溫度作用下覆層與基體熱膨脹量的差值減小。覆層與基體材料物性的巨大差異是導致覆層應力明顯大于基體的主要原因。工程上常以陶瓷、硬質合金等作為機械密封復合密封環覆層端面的硬質耐磨層，鋼、銅等作為其基體。根據覆層制備過程中常用材料的物性參數，各項參數的取值。覆層端面各薄弱環節的最大應力，均是隨熱膨脹系數比的增大而線性減小。覆層與基體的熱膨脹系數比越大，各薄弱環節的承載狀況越良好。導致基體對覆層的拉伸作用減弱，覆層部分的受力狀態趨于良好。覆層與基體材料選擇中，在滿足密封端面耐磨的情況下，應盡可能選擇覆層與基體熱膨脹系數比大的材料組合。

2.覆層與基體的覆層端面各薄弱環節的最大應力，都是隨覆層與基體的彈性模量比的增大而增大，增大速率放緩。彈性模量比越大，各薄弱環節承載狀況越惡劣。隨著覆層與基體的彈性模量比增大，熱膨脹作用下基體對覆層起相同量的拉伸作用時，覆層的受力會線性增大。覆層彈性模量的增大，基體對覆層拉伸作用的難度也會增大，所以各薄弱環節最大應力增大的速率會減緩。由于覆層很薄，覆層與基體熱導率差別不大或者覆層熱導率大于基體時，覆層部分的總熱阻很小，相對于覆層密封環總的導熱熱阻可以忽略，這使覆層熱導率的增大對覆層受熱狀態沒有影響。多數情況下，覆層與基體材料選擇中，覆層與基體的熱導率比可以不予考慮。

四、結語

以機械密封復合密封環覆層端面的評定指標為依據，研究了覆層端面結構和材料組合對覆層端面性能的影響。覆層厚度主要影響覆層表面最大拉應力；噴涂角度主要影響主界面最大切應力、側界面最大法向拉應力和側界面最大切應力；開槽寬度對覆層性能的影響較小。覆層與基體的熱膨脹系數比越大，覆層與基體的彈性模量比越小，有利于降低覆層各薄弱環節的應力；覆層與基體的熱導率對覆層性能的影響一般不予考慮。為了提高機械密封的使用壽命及密封效果我們還需要充分考慮影響機械密封的外部因素，將兩者結合在一起從而不斷提高機械密封的效果，使得生產效益最大化。

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